300MW单元机组给水全程控制系统设计热工课程设计

关键词：300MW单元机组给水全程控制系统单级三冲量给水调节对象
第一章给水自动控制系统的整定
控制系统整定是根据被控对象的特性选择最佳的整定参数（控制器参数、各信号间的静态配合、变送器斜率等），其中主要是整定控制器参数。对于一个已安装好的控制系统，各元件特性已经确定的情况下，能否使系统工作在最佳状态主要取决于系统参数整定得是否合适。[1]
1.4.3前馈通道的整定
对于图1-3所示的单级三冲量给水控制系统，当反馈回路经过正确整定，确定了给水流量反馈装置的传递系数 及调节器参数 和 的数值后，系统的方框图就可以用图1-7来表示。蒸汽流量前馈环节（ 、 ）不在控制系统反馈回路之内，因此，它们的动态特性即取值大小不会影响控制系统的稳定性，故可以根据蒸汽流量D扰动时使水位H不发生变化的原则来确定前馈环节的参数。
单级三冲量给水控制系统的原理框图如图1-3所示，可以看出该系统由两个闭合的反馈回路及前馈部分组成：
（1）由调节器 、执行机构 、调节阀 、给水流量变送器 和给水流量反馈装置 组成的内回路。
（2）由水位控制对象 、水位变送器 和内回路组成的外回路。
（3）由蒸汽流量信号 及蒸汽流量测量装置 、蒸汽流量前馈装置 构成的前馈控制部分。
1.1给水自动控制系统概述
锅炉给水调节的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在规定的范围内。汽包水位反映了汽包锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要的监控参数，保持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。随着锅炉容量和参数的提高，汽包的容积相对减小，锅炉蒸发受热面的热负荷显着提高，因此，加快了负荷变化时水位的变化速度。企图用人工调节给水量来保持汽包水位不仅操作繁重，而且是非常困难的，所以，锅炉运行中迫切要求对给水实现自动调节。
因此调节器的比例带 和积分时间 都可以取的很小。 和 的具体数值可以用试探方法决定以保证内回路不振荡为原则，一般 。在试探时，给水流量反馈信号的传递系数 可任意设置一个数值，得到满意的 值，如果以后 有必要改变，则应相应的改变 值，使 保持试探时的值，以保证内回路的开环放大倍数不变。
1.4.2主回路的整定
（2）由于对象在蒸汽负荷扰动时，有“虚假水位”现象。因此给水控制若采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段，调节器将使给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进、出流量的不平衡。
所以在设计给水控制系统时，应考虑采用以蒸汽流量 为前馈控制，以改善给水控制系统的控制品质。
总之，由于电厂锅炉水位控制对象的特点，决定了采用单回路反馈控制系统不能满足生产对控制品质的要求，所以电站汽包锅炉的给水自动控制普遍采用三冲量给水自动控制系统方案。[2]
图1-1单级三冲量给水控制系统图
当蒸汽流量增加时，调节器立即动作，相应的增加给水流量，能有效的克服或减小虚假水位所引起的调节器误动作。因为调节器输出的控制信号与蒸汽流量信号的变化方向相同，所以调节器入口处，主蒸汽流量信号 正极性的。当给水流量发生自发性扰动时，调节器也能立即动作，控制给水流量使给水流量迅速恢复到原来的数值，从而是汽包水位基本不变。见给水流量信号作为反馈信号，其主要作用是快速消除来自给水侧的内部扰动，因此在调节器入口处，给水流量信号 为负极性的。
1.2单级三冲量给水控制系统的结构和工作原理
图1-1为常用的单级三冲量给水系统图。给水调节器接受汽包水位 、蒸汽流量 和给水流量 三个信号（所以称三冲量控制系统）。其输出信号去控制给水流量，其中汽包水位是被调量，所以水位信号称为主信号。但仅仅根据水位信号调节给水流量的反馈调节，并不能满足生产对调节品质的要求。因为引起汽包水位变化的主要扰动是蒸汽流量和给水流量，所以为了使汽包水位在运行中偏差较小，在调节系统中引入了蒸汽流量的前馈调节和给水流量的反馈调节，这样组成的三冲量给水调节系统是一个前馈—反馈调节系统。
u
图1-2单级三冲量给水系统
当蒸汽负荷增加时，为了保持汽包水位的恒定，调节器的正确操作动作应增大给水流量，即调节器输出控制信号应与蒸汽流量信号的变化方向相同，所以蒸汽流量信号 定为“+”号：给水流量信号是反馈信号，它是为稳定给水流量而引入调节系统的，所以 定为“-”号。
当汽包水位H增加时，为了维护水位，调节器的正确操作应使给水流量减小；水位降低时应增加给水流量，即调节器操作给水流量的方向应与水位信号的变化方向相反，因此水位信号 应规定为“-”号。但由于汽包锅炉的水位测量装置——平衡容器本身已具有反号的静特性，所以进入调节器的水位变送器信号 应定为“+”号。
1.3单级三冲量给水调节系统的静态特性
给水调节系统的静态特性是值被调量 与锅炉负荷 的静态关系。对于单信号水位调节系统，只要采用比例积分调节器，不管负荷如何变化，静态时的水位 将始终等于其给定值，即被调量没有静态偏差。但当调节器接受多个输入信号时， 与 之间的静态关系就不是这样简单了。
为了讨论多信号时调节系统的静态特性，首先应确定送入调节器的各信号极性。图1-2所示为单级三冲量给水调节系统，图中示出了输入信号及其极性。
审核意见
系（教研室）主任（签字）
指导教师下达时间年月日
指导教师签字：_______________
摘要
电站汽包锅炉的给水自动控制普遍采用三冲量给水自动控制系统方案。因此，此次课程设计要求设计的便是采用单级三冲量的300MW单元机组给水全程控制系统。
本文首先介绍了给水自动控制系统的单级三冲量给水控制系统，对其的工作原理和静态特性进行了分析，并对具体的实际控制系统进行了分析和整定。其次，还对给水调节对象进行了动态特性分析。最后根据要求设计了300MW单元机组给水全程控制系统，分别分析了给水控制系统的组成及工作原理，包括了给水热力系统简介、给水全程控制系统原理、实例设计、控制过程分析、控制过程中的跟踪与切换等几部分。
图1-3单级三冲量给水控制系统的原理框图
下面对两个闭合回路及前馈控制部分进行分析和整定：
1.4.1内回路的整定
调节器的参数可根据系统内回路来整定,根据图1-4所示的方框图，可以把内回路作为一般的单回路系统进行分析。
如果把调节器以外的环节等效地看作被控对象，那么被控对象动态特性近似为比例环节。
图1-4三冲量给水控制系统的内回路方框图
它的等效比例带： 。
图1-5图1-4的近似方框图
图1-6三冲量给水控制系统的主回路等效方框图
根据以上的分析，在整定主回路时，应用试验方法求得到对象的阶跃响应曲线。对象的输入信号为给水流量变化 ，输出信号为水位测量变送单元的输出 ，从阶跃响应曲线上求得迟延时间 和响应速度 ，据响应曲线法可得下述计算公式：
2、根据已知的300MW单元机组给水热力系统设计给水全程控制系统：确定控制系统的方案，画出控制系统结构图，说明系统的组成，分析系统各部分的作用及工作原理；（3天）
3、编写课程设计说明书。（1天）
五、主要参考文献
[1]罗万金.《电厂热工过程自动调节》.中国电力出版社.1991.
[2]王志祥、朱祖涛.《热工控制设计简明手册》.水利电力出版社.1995.
调节器的参数可以通过理论计算求得，也可以通过现场试验调整求取。理论计算方法是，预先给定稳定裕量（或给定衰减率，或给定误差积分准则），通过计算求出最佳整定参数。由于表征调节对象动态特性的传递函数是近似的，所以最佳整定参数的理论计算结果是大致正确的。最终选用的最佳参数是通过实际现场得到的，理论计算数据只能作为试验调整时的参考数据。[2]
课程设计说明书
内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书
课程名称：热工控制系统专业课程设计学院：班级：
学生姓名：学号：指导教师：
一、题目
300MW单元机组给水全程控制系统设计
二、目的与意义
本设计是针对“热工控制系统”课程开设的课程设计，是培养学生综合运用所学理论知识分析问题、解决问题的一个重要的教学环节。通过本课程设计，使学生能更好的掌握热工控制系统的组成、控制方式和控制过程，使学生得到一次较全面、系统的独立工作能力的培养。
当汽包水位 增加时，为了维持水位，调节器的正确操作应使给水流量减小，反之亦然，即调节器操作给水流量的方向与水位信号的变化方向相反，因此调节器入口处水位信号 应定义为负极性。但由于汽包锅炉的水位测量装置——平衡容器本身已具有反号的静特性，所以进入调节器的水位变送器信号 应为正极性，如图1-1所示。在单级三冲量给水控制系统中，水位、蒸汽流量和给水流量对应的三个信号 、 、 都送到PI调节器，在静态时，这三个输入信号与代表水位给定值的信号 相平衡。[3]
在内回路经过正确整定后，其控制过程时非常快的。这是因为调节器为比例积分特性， 和 又设置的较小，故它能快速动作。当外来控制信号 改变时调节器几乎立即成比例地改变给水流量W，使 ，即：
或
这样，图1-4中的内回路就可以用图1-5来近似表示。因此主回路也就可以表示为图1-6.由图1-6可见，主回路也可看作是一个单回路系统。如果被控对象以给水流量变化W作为输入而以水位测量变送单元的输出电压 作为对象的输出，那么内回路的传递函数 就相当于主回路调节器的传递函数，所以主回路的等效调节器是一个具有比例特性的调节器。
在单级三冲量给水调节系统中，水位、蒸汽流量和给水流量对应的三个信号 、 、 都送到 调节器，在静态时，这三个输入信号应与水位给定值信号 平衡。
即： - + =
或： - = - =
上式表明，如果使送入调节器的蒸汽流量信号 与给水流量信号 相等，则在静态时的水位信号就等于给定值，给水调节系统将是无静差的。如果在静态时 ≠ ，则汽包的水位稳定值将不等于给定值，给水调节系统将是有静态偏差的。在给水调节系统中，一般都取 ，而在静态时，即锅炉负荷不变，水位也不波动，这时给水流量 应等于蒸汽流量 ，则单级三冲量给水调节系统水位 有无静态偏差将完全由蒸汽流量和给水流量的分流系数 、 的取值大小来决定。
主要内容：
1.根据图1-1及已知参数完成三冲量给水控制系统参数的整定。
2.根据已知的300MW单元机组给水热力系统设计给水全程控制系统。
要求：
1.严格遵守作息时间，在规定地点认真完成设计；设计共计一周。
2.按Leabharlann Baidu统一格式要求，完成设计说明书一份。
四、工作内容、进度安排
1、根据图1-1及已知参数完成三冲量给水控制系统参数的整定；（1天）
当取 = 时，在任何负荷下，水位的静态值是无偏差的；当取 ＞ 时，水位的静态偏差是正值，且偏差随着负荷的增加而增大；当取 ＜ 时，水位的静态偏差是负值，且偏差随着负荷的增加而增大。
一般情况下，都希望调节系统的具有无差的静态特性，这时在蒸汽流量测量变送设备的斜率 的前提下，应取 = 。[4]
1.4单级三冲量给水系统的分析和整定
三冲量给水调节系统，就是在双冲量给水调节系统的基础上，在引入给水流量信号。由水位蒸汽流量 和给水流量 构成的给水调节系统。其优点在于能快速消除给水侧的扰动。根据汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点，我们可以提出确定给水控制系统结构的一些基本思想：
（1）由于对象的内扰动态特性存在一定的迟延和惯性，所以给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路系统，则控制过程中水位将出现较大的动态偏差，给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性迟延和惯性大的锅炉应考虑采用串级或其他控制方案。
则：
或：
由此可见，当变送器的斜率已经确定后，增大给水流量的灵敏度 ，等于增加主回路调节器的比例带，因而使给水流量动作减慢，增加主回路的稳定性。但是对内回路来说，增加 就增加了内回路的开环放大倍数，因而增加了内回路振荡的倾向，因此由于提高主回路的稳定性而增加 时，必须相应地增加调节器的比例带 以保持内回路的稳定性。
三、要求
已知条件：
（1） 单级三冲量给水控制系统方框图如图1-1所示，控制对象的特性参数为：
图1-1
； ； ；
调节器的传递函数为：
控制对象的传递函数为：
给水流量与蒸汽流量的测量变送器的传递函数为：
水位的测量变送器的传递函数为：
给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置都用比例环节，即： ；
（2）300MW单元机组给水热力系统：从除氧器出来的给水，由给水泵送入高压加热器，再经省煤器进入汽包。给水泵包括一台电动泵和一台汽动泵，电动泵容量为50%额定给水流量，汽动泵容量为100%额定给水流量。在启动和低负荷工况下电动泵运行，正常工况下汽动泵运行。